CN102460900A - 功率传送系统和非接触充电装置 - Google Patents

Abstract

功率传送系统(401)包括功率发送装置(101)、功率接收装置(201)和电容性耦合导体(301)。高压侧导体(11)形成于功率发送装置(101)的外壳(10)的上表面附近，而低压侧导体(12)形成于外壳(10)的下表面或周围表面附近。功率发送装置(101)包括交流电压产生电路(13)。高压侧导体(21)形成于功率接收装置(201)的外壳(20)的下表面附近，而低压侧导体(22)形成于功率接收装置(201)的外壳(20)上表面附近。功率接收装置(201)包括负载电路(23)。高压侧导体(11和21)在彼此面对时彼此电容性耦合，并且低压侧导体(12和22)经由电容性耦合(301)彼此电容性耦合。

Description

功率传送系统和非接触充电装置

技术领域

本发明涉及一种以非接触方式传送电功率的功率传送系统以及一种使用该功率传送系统的非接触充电装置。

背景技术

专利文献1和专利文献2描述了与非接触功率传送系统有关的现有技术。专利文献1中描述的功率传送系统增加了读卡器/写卡器和非接触式卡之间的功率传送效率。为读卡器/写卡器和非接触式卡各设置两个电极。当传送功率时，读卡器/写卡器的电极与非接触式卡的电极成对相向，以通过电容性耦合传送电功率。

专利文献1中描述的功率传送系统通过形成对称电偶极子来传送电功率，而专利文献2中描述的功率传送系统按照如下方式通过相互静电感应来传送电功率：形成非对称电偶极子，以使耦合电极彼此短距离面对。

图1是示出了专利文献2中描述的功率传送系统的基本配置的图。功率发送装置包括高频高压发生器1、无源电极2和有源电极3。功率接收装置包括高频高压负载5、无源电极7和有源电极6。于是，功率发送装置的有源电极3经由间隙4位于功率接收装置的有源电极6附近，从而这两个电极电容性地耦合。

[引用列表]

[专利文献]

[PTL 1]日本未审专利申请公开No.2005-079786

[PTL 2]国际公布小册子No.2007/107642

发明内容

技术问题

然而，在专利文献1中描述的功率传送系统中，需要将功率发送装置的两个电极面对功率接收装置的两个电极。从而，功率发送装置和功率接收装置设置成预定的位置关系。因此，存在这样的问题：功率发送装置和功率接收装置两者的设置灵活性相当低。此外，功率发送装置和功率接收装置各自的电极具有对称的配置，并且与电路的地电极相隔离。因此，存在这样的问题：施加至每一电极的电压增加。另外，因为每一电极的外围并没有被屏蔽，所以存在这样的问题：不必要的电场(对于功率传送没有贡献)分布在电极周围。

在专利文献2中描述的功率传送系统中，只有有源电极彼此面对。因此，发生较低的耦合，并且对于相同的距离和功率条件要求较大的电压。当有源电极较大以增加定位灵活性时，电场不会仅被限制在有源电极的两个相对部分之间。另外，存在这样的问题：当功率接收装置侧的无源电极的交流电压较大时，电场类似地也分布在该电极周围。

本发明的目的是提供一种功率传送系统，该功率传送系统减小了施加至耦合电极的电压以减小不必要电场的分布，并且增加了功率发送装置和功率接收装置之间相对位置关系的灵活性。

技术问题的解决方案

根据本发明的优选实施例，一种功率传送系统配置如下。功率传送系统包括：功率发送装置和功率接收装置，各自均具有电容性耦合电极，所述电容性耦合电极与另一侧装置的电容性耦合电极电容性耦合，其中功率发送装置和功率接收装置各自的电容性耦合电极包括：高压侧导体(有源电极)和低压侧导体(无源电极)；以及电容性耦合导体，所述电容性耦合导体与功率发送装置和功率接收装置各自的低压侧导体电容性耦合，其中所述功率发送装置包括交流电压产生电路，产生施加在功率发送装置的高压侧导体和低压侧导体之间的交流电压，以及所述功率接收装置包括所述功率接收装置的高压侧导体和低压侧导体之间感应的电功率的负载电路。

根据本发明的优选实施例，功率传送系统包括：功率发送装置和功率接收装置，各自均具有电容性耦合电极，所述电容性耦合电极与另一侧装置的电容性耦合电极电容性耦合，其中功率发送装置和功率接收装置各自的电容性耦合电极包括高压侧导体(有源电极)和低压侧导体(无源电极)；以及电容性耦合导体，所述电容性耦合导体与功率发送装置的低压侧导体电连续，并且所述电容性耦合导体与功率接收装置的低压侧导体电容性耦合，其中所述功率发送装置包括交流电压产生电路，所述交流电压产生电路产生施加在功率发送装置的高压侧导体和低压侧导体之间的交流电压，以及所述功率接收装置包括所述功率接收装置的高压侧导体和低压侧导体之间感应的电功率的负载电路。

根据本发明的优选实施例，电容性耦合导体例如是包含导电材料的织物。根据本发明的优选实施例，电容性耦合导体例如是由导体构成的主体。根据本发明的优选实施例，一种非接触充电装置包括：任一上述功率传送系统，所述负载电路包括：整流平滑电路，所述整流平滑电路对功率接收装置的高压侧导体和低压侧导体之间感应的交流电压进行整流和平滑；以及充电元件，用来自整流平滑电路的输出对所述充电元件充电，以及所述功率发送装置设置有控制电路，所述控制电路控制交流电压产生电路以控制对于充电元件的充电，或者所述负载电路设置有控制电路，所述控制电路控制整流平滑电路以控制对于充电元件的充电。

本发明的有益效果

根据本发明的以上优选实施例，可以获得以下有益效果。功率发送装置和功率接收装置之间的耦合度增加，可以改进功率传送效率，并且可以减小装置尺寸。因为改进了功率传送效率，可以增加能够传送的电功率的上限。因为耦合度增加，可以减小施加至功率发送装置的高压侧导体的设置电压。据此，可以降低功率接收装置的高压侧导体的电势。静电屏蔽了高压侧导体，因此可以减小不必要的辐射。

附图说明

图1是示出了专利文件2中描述的功率传送系统的基本配置的图。

图2是概念性地示出了功率传送系统401的相关部分的截面图。

图3A是功率接收装置201的底视图。

图3B是功率发送装置101的顶视图。

图4是示出了在图2所示的功率接收装置201内部设置的负载电路23的电路配置的图。

图5是概念性地示出了根据第二实施例的功率传送系统402的相关部分的截面图。

图6是概念性地示出了根据第三实施例的功率传送系统403的相关部分的截面图。

图7A是概念性地示出了根据第四实施例的功率传送系统404的相关部分的截面图。

图7B是概念性地示出了根据第四实施例的功率传送系统405的相关部分的截面图。

图8A是概念性地示出了根据第五实施例的功率传送系统406的相关部分的截面图。

图8B是概念性地示出了根据第五实施例的功率传送系统407的相关部分的截面图。

具体实施方式

[第一实施例]

将参考图2至图4描述根据第一实施例的功率传送系统的配置。图2是概念性地示出了功率传送系统401的相关部分的截面图。功率传送系统401包括功率发送装置101和功率接收装置201。高压侧导体11和低压侧导体12形成于功率发送装置101的外壳10的上表面附近。低压侧导体12以与高压侧导体11绝缘的状态，围绕高压侧导体11。此外，交流电压产生电路13设置在功率发送装置101的外壳10内，并且在高压侧导体11和低压侧导体12之间施加交流电压。在该示例中，低压侧导体12沿外壳10的外围表面设置。因此，交流电压产生电路13被低压侧导体12包覆。

高压侧导体21形成于功率接收装置201的外壳20的下表面附近。低压侧导体22形成于功率接收装置201的外壳20的上表面附近。此外，负载电路23设置在功率接收装置201的外壳20内，并且高压侧导体21和低压侧导体22之间感应的电压被施加至负载电路23。

功率接收装置201相对于功率发送装置101设置，使得功率发送装置101的高压侧导体11面对功率接收装置201的高压侧导体21。

在这种状态下，将电容性耦合导体301放置为覆盖功率发送装置101和功率接收装置201的上部。电容性耦合导体301是柔性导电片，并且可以由诸如细金属线制成的织物、金属箔等构成。通常，用诸如树脂、玻璃和布料之类的绝缘体涂覆电容性耦合导体301。此外，为了防止电场强度的局部增加，电容性耦合导体301几乎不包括尖锐部分。

通过在耦合部分处代以高介电常数材料，可以提高耦合水平。此外，例如相对介电常数是7的陶瓷材料也适用。

如图2所示，在将功率接收装置201放置在功率发送装置101上的情况下，在高压侧导体11面对高压侧导体21的那一部分处产生电容。另一方面，在功率发送装置101的低压侧导体12和电容性耦合导体301之间以及在功率接收装置201的低压侧导体22和电容性耦合导体301之间分别产生电容。也就是说，高压侧导体11和21、低压侧导体12和22以及电容性耦合导体301作为电容性耦合电极工作。

功率发送装置101的低压侧导体12围绕高压侧导体11，因此静电屏蔽了高压侧导体11，结果，可以减小不必要的辐射。

交流电压产生电路13是使用线圈变压器、压电变压器、LC谐振电路等产生例如约100kHz至几十MHz高频高压的电路。负载电路23包括整流平滑电路以及根据从整流平滑电路输出的电压进行操作的低压电路。整流平滑电路由二极管桥接电路和平滑电容器构成。在交流负载的情况下，使用降压变压器或不整流而直接降低交流电压的分压电路，向交流负载提供交流电压。

功率发送装置101的低压侧导体12具有交流电压产生电路13的参考电势(地电势)。此外，功率接收装置201的低压侧导体22具有负载电路23的参考电势(地电势)。因此，高压侧导体11和21作为有源电极工作，而低压侧导体12和22作为无源电极工作。

根据本发明实施例的功率传送系统具有使用交变电磁场(准静态电场)进行短距离能量传送的基本原理。当波长λ足够大于电场振荡源的尺寸或工作范围(距离d)时，即当满足关系d/λ＜＜1时，准静态电场保留(限制)在电场振荡源周围。因此，辐射至较远位置的辐射量小到几乎为零。

注意：电磁波具有横向模式(场沿与两个场垂直的方向传播)，而如同本发明实施例的情况在使用准静态电场的功率传送中，沿与电场相同的方向传送能量。在处理准静态电场的低频频带中，也就是说，计算(figure)“Z＝V/I”是适用的(“Z”是阻抗，“V”是电压，“I”是电流)。

例如，外壳10和20是诸如ABS树脂之类的塑料。通过在塑料外壳内部整体地形成导体层，每一个外壳的外表面可以是电绝缘的。因此，如果将大于等于约几百伏的高电压施加至高压侧导体11，可以确保安全性。

图3A是功率接收装置201的底视图。图3B是功率发送装置101的顶视图。功率接收装置101的高压侧导体11具有实质上圆形的形状。低压侧导体12具有与高压侧导体11共轴的实质上为圆形的开口A1。也就是说，将低压侧导体12以与高压侧导体11绝缘的状态设置在围绕高压侧导体11的位置处。同样，在功率接收装置201中，高压侧导体21具有实质上圆形的形状。将低压侧导体22以与外表面绝缘的状态沿外壳20的上表面设置。

经由电容性耦合导体301，通过大电容将低压侧导体12和22电容性耦合。因此，作为无源电极的低压侧导体12和22之间的耦合电容大于作为有源电极的高压侧导体11和21之间的耦合电容。为此原因，确保了返回电流的路径(通过电容性耦合的电流路径)以稳定功率传送。此外，因为施加至低压侧导体的电压随着电容性分压的分压比而降低，即使在增加功率传送时也可以确保安全性。

在图2至图3B所示的结构中，具体的数值示例如下。交流电压产生电路13产生约几百伏至约几千伏范围内的高电压。希望将高电压设置为约3kV或以下，以便防止局部电晕放电。频率确定在约100kHz至约10MHz的范围内。当频率等于或大于特定频率时，从高压侧导体11和21辐射电磁波。因此，由于电磁波的辐射损耗而限制了频率的上限。

当传送的功率小于等于约50W时，功率发送装置101的高压侧导体11的尺寸作为一种量度是直径约10mm至约30mm。基于诸如必须传送的功率、功率传送效率和产品物理形状之类的限制，来确定高压侧导体11和21各自的尺寸。例如，当处理大于等于约50W的功率时，电极的尺寸可以大于等于约30mm直径，而当处理小功率时，电极的尺寸可以小于等于约10mm。上述各种条件在具体情况下使用，并且不局限于这些值或范围。

图4是示出了在图2所示的功率接收装置201内部设置的负载电路23的电路配置的图。负载电路23包括整流平滑电路30和低压电路部分29。整流平滑电路30包括降压变压器T、整流二极管D1和D2以及平滑电容器C。变压器T的初级线圈的一端与高压侧导体21相连，而另一端与低压侧导体22相连。包括整流二极管D1和D2以及平滑电容器C的全波整流电路形成于变压器T的次级线圈中。

可以在整流平滑电路30中形成谐振电路。替代地，可以在整流平滑电路30的上游或下游设置谐振电路。通过设置谐振电路可以获得以下有益效果。功率发送装置101和功率接收装置204以耦合度k(k＜1)彼此耦合。当没有结合谐振电路时，未耦合的能量将损失掉。也就是说，功率传送效率较低。当设置谐振电路时，可以将未耦合的能量存储在谐振电路中作为无功能量。这可以理解为对没有谐振电路情况下的能量损耗进行回收利用。此外，也可以理解为谐振电路的Q因子增加了等效耦合系数。结果，可以改进功率传送效率。具体地，当耦合度较弱(k＜＜1)时，这种有益效果非常显著。

在该示例中，功率传送系统401构成非接触充电装置，并且低压电路部分29包括控制电路31和二次电池32，其基于由作为电源的整流平滑电路30进行整流和平滑的电压而工作。控制电路31控制二次电池32的充电，控制使用二次电池32作为电源的充电，并且执行除此之外的其他预定电路操作。

注意，还可以应用的是设置通过通信监测二次电池32充电状态的装置且在功率发送装置101一侧设置控制二次电池32充电的电路。上述配置除了二次电池之外还可以类似地应用于诸如双电层之类的充电元件。

[第二实施例]

图5是概念性地示出了根据第二实施例的功率传送系统402的相关部分的截面图。功率传送系统402包括功率发送装置102和功率接收装置202。

在图2所示的示例中，将功率接收装置201放置于功率发送装置101上。图5示出了功率发送装置102和功率接收装置202并排设置的示例。如图5所示，高压侧导体11设置在功率发送装置102一侧，高压侧导体21设置在功率接收装置202一侧，并且电容性耦合导体302覆盖并排设置的功率发送装置102和功率接收装置202。按照这种方式，可以实现电容性耦合。

[第三实施例]

图6是概念性地示出了根据第三实施例的功率传送系统403的相关部分的截面图。功率传送系统403的配置与图2所示配置的不同之处在于：电容性耦合导体302与功率发送装置103的低压侧导体12电连续。利用以上配置，在电容性耦合导体302和低压侧导体22之间产生的电容直接连接在低压侧导体12和22之间。因此，可以增加(增益)低压侧导体12和22之间的电容。

[第四实施例]

图7A和图7B是概念性地示出了根据第四实施例的两个功率传送系统404和405的相关部分的截面图。在图7A所示的示例中，设置了由金属板构成的电容性耦合导体303。预先形成电容性耦合导体303，使得内部顶面面对功率接收装置201的低压侧导体22，并且下摆部分(skirtportion)面对功率发送装置101的低压侧导体12。

在图7B所示的示例中，设置了由金属板构成的电容性耦合导体304。预先形成电容性耦合导体304，使得内部顶面面对功率接收装置201的低压侧导体22，并且凸缘部分(flanged portion)面对功率发送装置101上表面上的低压侧导体12。

电容性耦合导体303和304可以具有各种形状，例如只形成三个弯折侧面的实质上U形的截面，以及围绕整个功率发送装置101和功率接收装置201的五面体形状。此外，电容性耦合导体303和304等可以具有小孔，或者可以通过机械加工网格金属板来形成。另外，可以通过对塑料表面进行电镀来形成导体。

注意：如第三实施例中所述，使得电容性耦合导体303和304与功率发送装置侧的低压侧导体电连续，从而使得可以进一步增加耦合强度。然而，因为一般情况下不希望暴露任何导体，在这种情况下功率发送装置和功率接收装置两者的表面电绝缘。此外，在该第四实施例中同样，电容性耦合导体几乎不包括尖锐部分，并且被绝缘材料覆盖，以防止电场强度的局部增加。

注意，可以将电容性耦合导体303和304等附到功率发送装置101一侧以用作功率发送装置的一部分。

[第五实施例]

图8A和图8B是概念性地示出了根据第五实施例的两个功率传送系统406和407的相关部分的截面图。在图8A所示的示例中，将由金属板构成的电容性耦合导体305设置为围绕功率接收装置201。预先形成电容性耦合导体305，使得内部顶面面对功率接收装置201的低压侧导体22，并且下表面部分面对功率发送装置101上表面上的低压侧导体12。

电容性耦合导体305可以在某些角处弯折，以形成实质上U形的截面、实质上C形的截面或实质上矩形的截面。此外，电容性耦合导体305可以具有实质上六面体的形状。当电容性耦合导体305具有实质上U形的截面、实质上C形的截面或实质上矩形的截面时，只需要在使用电容性耦合导体时，将功率接收装置201从电容性耦合导体305的开口插入，从而将功率接收装置201和电容性耦合导体305相结合。此外，当电容性耦合导体305具有实质上六面体的形状时，只需要使得电容性耦合导体305的一侧是可打开的，并且将功率接收装置201设置在内部，从而将功率接收装置201和电容性耦合导体305相结合。

同样，在图8B的示例中，设置了由金属板构成的电容性耦合导体306。预先形成电容性耦合导体306，使得内部顶面面对功率接收装置201的低压侧导体22，并且内部底面面对功率发送装置101下表面上的低压侧导体12。

电容性耦合导体306可以在某些角处弯折，以形成实质上U形的截面、实质上C形的截面或实质上矩形的截面。此外，电容性耦合导体306可以具有实质上六面体的形状。当电容性耦合导体306具有实质上U形的截面时，只需要在使用电容性耦合导体时，将功率发送装置101和功率接收装置201两者从电容性耦合导体306的开口插入，从而将功率发送装置101和功率接收装置201两者与电容性耦合导体306相结合。此外，当电容性耦合导体306具有实质上六面体的形状时，只需要使得电容性耦合导体306的一侧是可打开的，并且将功率发送装置101和功率接收装置201两者插入内部，从而将功率发送装置101和功率接收装置201两者与电容性耦合导体306相结合。

注意，电容性耦合导体305和306等可以具有小孔，或者可以通过机械加工网格金属板来形成。另外，可以通过对塑料表面进行电镀来形成电容性耦合导体。

[附图标记列表]

A1    开口

C     平滑电容器

D1，D2  整流二极管

T    变压器

10，20  外壳

11，21  高压侧导体

12，22  低压侧导体

13  交流电压产生电路

23  负载电路

29  低压电路部分

30  整流平滑电路

31  控制电路

32  二次电池

101至103  功率发送装置

201，202  功率接收装置

301至306  电容性耦合导体

401至407  功率传送系统

Claims (5)

1.一种功率传送系统，包括：

功率发送装置和功率接收装置，各自均具有电容性耦合电极，所述电容性耦合电极与另一侧装置的电容性耦合电极电容性耦合，其中功率发送装置和功率接收装置各自的电容性耦合电极包括高压侧导体和低压侧导体；以及

电容性耦合导体，所述电容性耦合导体与功率发送装置和功率接收装置各自的低压侧导体电容性耦合，其中

所述功率发送装置包括交流电压产生电路，所述交流电压产生电路产生施加在功率发送装置的高压侧导体和低压侧导体之间的交流电压，以及

所述功率接收装置包括所述功率接收装置的高压侧导体和低压侧导体之间感应的电功率的负载电路。

2.一种功率传送系统，包括：

功率发送装置和功率接收装置，各自均具有电容性耦合电极，所述电容性耦合电极与另一侧装置的电容性耦合电极电容性耦合，其中功率发送装置和功率接收装置各自的电容性耦合电极包括高压侧导体和低压侧导体；以及

电容性耦合导体，所述电容性耦合导体与功率发送装置的低压侧导体电连续，并且所述电容性耦合导体与功率接收装置的低压侧导体电容性耦合，其中

所述功率发送装置包括交流电压产生电路，所述交流电压产生电路产生施加在功率发送装置的高压侧导体和低压侧导体之间的交流电压，以及

所述功率接收装置包括所述功率接收装置的高压侧导体和低压侧导体之间感应的电功率的负载电路。

3.根据权利要求1或2所述的功率传送系统，其中所述电容性耦合导体是包含导电材料的织物。

4.根据权利要求1或2所述的功率传送系统，其中所述电容性耦合导体是由导体构成的主体。

5.一种非接触充电装置，包括：

根据权利要求1至4中任一项所述的功率传送系统，其中

所述负载电路包括：整流平滑电路，所述整流平滑电路对功率接收装置的高压侧导体和低压侧导体之间感应的交流电压进行整流和平滑；以及充电元件，用来自整流平滑电路的输出对所述充电元件充电，以及

所述功率发送装置设置有控制电路，所述控制电路控制交流电压产生电路以控制对于充电元件的充电，或者所述负载电路设置有控制电路，所述控制电路控制整流平滑电路以控制对于充电元件的充电。

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